哈密抽水蓄能电站施工测量控制网设计

2023-09-21鹿恩锋兰世雄尹业彪

西北水电 2023年4期

鹿恩锋,兰世雄,尹业彪

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前言

近年来,中国迎来了抽水蓄能电站建设高潮。抽水蓄能电站选址一般在高山低谷大落差的复杂山区,工程枢纽区范围大,上、下库通视条件差,建立高精度施工测量控制网,在控制网选点、观测方案设计、数据处理等方面存在许多技术难题,若处理方法不当,则会造成成本增高、工期拖延、精度指标超限,成果无法满足电站施工建设要求。

国内测绘技术人员为此做了许多研究和探索,从常规边角网与GNSS结合布网,到三维混合网平差,将常规边角测量、GNSS测量、水准测量相混合,以三维数据处理方式提高成果的可靠性和精度,获得了有益的成效。但因涉及多种不同类型观测值的联合平差,过程较复杂。在哈密抽水蓄能电站施工测量控制网设计中,本文根据以往大量水电工程施工测量控制网建网经验,结合近年相关新技术,提出一套精度优良、实施简便、经济合理的设计方案,并经后期实施验证,为抽水蓄能电站施工测量控制网设计提供借鉴。

1 工程概况

哈密抽水蓄能电站位于新疆哈密市东北约54 km的天山乡境内,距哈密市约66 km。电站对外交通相对较便利。本工程等别为Ⅰ等大(1)型工程。电站枢纽主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂房及开关站等建筑物组成。上水库位于三道沟左岸山顶东侧凹地内,为一良好的天然库盆。上水库正常蓄水位2 247.00 m,最大坝高49 m,调节库容700万m3。下水库利用三道沟河道筑坝形成水库,水库正常蓄水位1 761.00 m,设拦河坝和拦沙坝各一座,在拦河坝与拦沙坝间形成独立下水库,拦河坝最大坝高81 m,拦沙坝最大坝高42.5 m。下水库调节库容723万m3。输水及厂房系统位于三道沟左岸山体中,输水系统水平总长度2 849.2 m,电站额定水头474 m,距高比为6.0,电站装机容量1 200 MW,施工总工期78个月。

工程区为西部戈壁干旱山区,地表裸露,视野较开阔。下库区河谷宽阔,基本对称呈“V”型。左岸阶地后缘岸坡高陡,右岸边坡低缓且存在几处槽状洼地。上水库库盆呈不规则的圆形,直径500～700 m,四周山体较雄厚,边坡较缓,库内大部分地段基岩裸露,岩体较完整,地基稳定性好。上、下库之间有400多米的高落差陡坡,已修建上山人行勘测道路。

2 设计思路

主要参照DLT 5173-2012《水电水利工程施工测量规范》[1]进行设计,施工控制网等级为平面二等、高程二等。平面、高程控制点中误差均不大于±7.0 mm。该施工网控制范围广,地形落差大,要求等级高,为满足高精度施工控制网的测量要求,拟采用以下设计思路:

(1) 根据施工控制网测量要求,结合工程区的地形特点、施工总布置图等进行控制网点位的布设,点位控制范围要覆盖全部施工区域。布点时,尽量避开开挖区,要考虑控制网形条件、观测方案选择、成果精度指标等相关要求;平面控制点建造带强制对中盘的观测墩,高程控制点埋设混凝土标墩,规格依规范。

(2) 平面控制网采用GNSS观测[2],结合全站仪高精度边长观测,高程控制网采用二等水准测量[3],连通上、下库枢纽区高程测量;部分不便连测水准高程的平面观测墩采用三等三角高程测量。

(3) 起算点的引测选择上、下库区前期勘测设计阶段建立的保存完好的四等控制点作为已知点进行施工控制网坐标及高程引测,已知点应经检验稳定可靠。

(4) 在GNSS控制网的数据处理中,基线解算采用的GAMIT软件[4],配合IGS站发布的快速星历进行严密解算,网平差采用CosaGPS软件[5],并建立独立参考椭球[6]。

(5) 将全站仪高精度观测边长与GNSS平差后的反算边长相比较,检验GNSS网的成果精度[7];采用三等三角高程的高差,检验二等水准支线测量是否有粗差,确保水准成果的可靠性。

3 控制网布点

工程区已有参考资料有1∶1000地形图、施工总布置图等,特别是已有最新的7 cm分辨率测绘三维实景模型,其情景逼真、具有三维量测性。叠加CAD工程总布置图后,可在室内计算机显示的实景模型上进行选点规划。

由于地表植被稀少,视野开阔,采用三维实景模型布点和规划,能直观了解拟选点位的周围地形地貌和道路交通条件,以及与其他点位的通视情况、网形结构,可量测出拟选点位较准确的坐标及高程、与邻近点边长、夹角,也可较准确估算出建点材料运输距离、观测便道走向及土建工程量;水准路线长度及测站数、GNSS同步观测组数、三角高程对向观测数量等观测工作量等。三维实景模型中可方便获取量测数据及信息,有利于提高施工控制网布点效率、精度估算准确性和设计方案的可行性。

控制网点位选址要地基稳固、可长久保存,能控制施工关键部位,兼顾建造经济合理性和使用方便性,尽量避开工程开挖区域。上、下库枢纽区控制网形尽量兼顾常规边角网网形,以便观测条件不利时,可采用常规高精度边角网测量方案作为补充。

经比选,上库盆周围布设5个平面控制点;上、下库连接路沿线布置6个平面控制点;下库及施工场地、营地等部位布置13个平面控制点,总共24点。见图1所示。

图1 平面控制网

在平面控制网布点后,进行高程控制网点布设。选择上、下库区工程影响区之外基岩出露的地方,分别布设一组(3个)水准基点,作为上、下库枢纽区的高程基准点,二等水准路线如图2所示。

图2 二等水准路线

由图2可知,下库区沿河道两岸含施工区、营地,连测10个平面观测墩下水准点、8个普通水准点,形成18个点的二等水准环线;上、下库区高程连测采用二等水准支线测量,沿唯一勘测便道,贯穿上、下库连接路附近6个平面观测墩下水准点和1个普通水准点,至上库水准基点(组);上库区高程控制采用二等水准支线连测库周3个平面观测墩下水准点。

二等水准网共包含31个水准点(含12个独立水准点),个别水准观测道路不通的平面控制点,采用三等三角高程进行高程连测。三角高程网如图3所示。

图3 三角高程网(含部分水准测段高差复核)

4 观测方案

GNSS观测采用8台Hiper V双频接收机,标称精度为±(3 mm+0.5 ppm),按二等GNSS平面网要求进行观测,观测时段数不少于2,每段观测时长120 min,数据采样间隔15 s,卫星高度截止角大于15°,PDOP值小于5,有效卫星数大于5[1]。GNSS观测包括24个施工控制网点和4个前期四等控制点(引测)。

水准外业观测采用天宝DiNi03数字水准仪,标称精度为±0.3 mm/km,按照二等水准测量要求进行观测。上、下库连接段为重要水准支线,往、返观测值检验合格后,加测单程复测水准,对水准支线进行校验,以增强水准观测数据可靠性。水准观测路线总长度约36 km。

高精度边长测量和三等三角高程测量采用徕卡TM50全站仪,标称精度为方向中误差±0.5″,测距中误差±(0.6 mm+1 ppm)。高精度边长测量按照二等边长测量要求观测,与三角高程测量同步进行,共观测30条边长。三等三角高程共观测28组对边高差(5个待定点),上、下库分别组成三角高程网。

5 数据处理方案

(1) 二等水准观测数据处理

测段高差加入尺长改正、温度改正、正常水准面不平行改正;测段往返不符值检验、环线闭合差检验、每公里水准测量的高差偶然中误差计算等;观测数据验算合格后,方可平差计算;水准网平差,起算数据由原勘测设计阶段四等控制点引测得到,使用清华山维NASEW平差软件进行严密平差。

(2) 三角高程测量数据处理

观测边长进行气象改正、加乘常数改正;高差计算中加入球气差改正;进行对向观测高差较差检验、环线闭合差检验;观测数据验算合格后,再进行三角高程网平差,平差起算数据为本次二等水准测量平差成果,按三等高程网精度,使用清华山维NASEW平差软件进行严密平差。采用三角高程平差的高差成果,与二等水准支线组成闭合环,检验二等水准支线测量是否有粗差,保证二等水准支线成果的可靠性。

(3) 二等边长观测数据处理

边长观测值在进行气象改正、加乘常数改正后,采用水准高差(或三角高差)进行边长化平计算,并投影到选定的上、下库平均高程面上。

(4) GNSS观测数据处理

1) 基线解算使用GAMIT软件[8-9],配合IGS站发布的快速星历,以L1,L2_INDENDENT为解算策略,卫星高度截止角为15°,采用双频组合模式[10],以萨斯莫坦宁模型处理对流层延迟。对各基线组成的同、异步环和重复基线按固定误差5 mm、比例误差1 ppm对应限差进行检核。

2) 采用多点平移转换法建立独立椭球[11],以2000国家大地坐标系参考椭球为起算参考椭球,根据各控制点水准高程和GNSS观测的大地高计算出各点高程差异值,再以多点平移法确定适用于本施工控制网的独立参考椭球原点,独立参考椭球大地原点在空间直角坐标系下平移量计算公式如下:

3) 平差使用CosaGPS软件[8-9,12],在独立参考椭球中,以测区中央经度为中央子午线[13],经自由网平差各项指标合格后,在设计投影高程面对整网进行“一点一方向”约束平差(采用平移后HS17新大地坐标起算);再以引测数据HS17平面坐标及HS17至HS05引测方位作为参照,将平差成果转换到本工程规划设计阶段坐标系中。

6 精度估算

二等水准网和三角高程网精度估算使用清华山维NASEW平差软件,二等GNSS控制网精度估算使用CosaGPS软件。按上述布点网形和观测方案进行施工控制网精度估算,结果如下:

(1) 二等水准网,31个水准点,66个测段,路线长度约36 km,按路线长度定权,估算的最弱点高程中误差为±3.5 mm。

(2) 上库区三角高程网,观测10个对向高差,已知点3个,未知点2个,按三等水准精度估算,最弱点高程中误差为±2.5 mm;下库区三角高程网,观测18个对向高差,已知点6个,未知点3个,以边长定权,按三等水准精度估算,最弱点高程中误差为±4.2 mm。

(3) 二等GNSS控制网,总数24点,基线向量97条,先验精度按规范要求输入固定误差5 mm、比例误差1 ppm,固定一点、一方位平差,全网最弱点为HS16,点位中误差达到±3.2 mm,最弱边长(HS03～HS04点)相对中误差为1/21.4万。满足二等平面控制网的精度要求。

7 建网实施验证

按上述设计方案,哈密抽水蓄能电站施工控制网建网工作历时3个多月圆满完成。由于控制网布设采用了高分辨率三维实景模型,点位设计直观、可三维量测,工作量估算准确,观测方案可操作性强,最终布点方案和观测方案与技术设计书高度一致。经过严密数据处理,各项成果技术指标优良,达到了设计要求。实施结果说明如下:

(1) 二等水准网共观测68段,各测段往返测不符值均符合限差要求,按测段往返测不符值计算的每公里水准测量高差中数的偶然中误差为±0.47 mm(限差±1.0 mm);二等水准网平差后,最弱点HS02的高程中误差为±2.9 mm(要求限差±7.0 mm,估算值±3.5 mm),符合设计要求指标。水准测段往返较差及环线闭合差统计如下表1、2。

表1 二等水准测量的往返较差统计

表2 二等水准路线闭合环精度统计

(2) 光电测距三角高程测量结束后,在三角高程网中,由闭合线路各段观测高差计算的闭合差精度统计如表3。

表3 三角高程闭合高程线路精度统计

上库三角高程网有高程闭合环6个,闭合差最小值为+0.5 mm,最大值+4.5 mm,几乎全部在1/4限差以内。由高程闭合环计算的每公里高差全中误差为±1.7 mm(限差±6.0 mm),平差后,最弱点HS03高程中误差为±0.3 mm(相对于邻近二等水准点)。

下库三角高程网有高程闭合环10个,闭合差最小值为-2.3 mm,最大值+7.9 mm,几乎全部在1/3限差以内。由高程闭合环计算的每公里高差全中误差为±2.7 mm(限差±6.0 mm),平差后,最弱点HS17高程中误差为±1.8 mm(相对于邻近二等水准点)。

上、下库三角高程网平差精度满足三等三角高程测量的等级要求。为验证三角高程测量精度,将部分三角高差与二等水准高差进行比较,统计如表4所示。

表4 部分水准高差与三角高差比较表

由表4可见,三角高程测量精度良好。

(3) GNSS控制网共观测基线271条(必要基线23条,多余基线248条,独立基线74条),组成三边同步环198组,异步环97组,重复基线116组,整网平均设站率3.5。

重复基线总计116条,1/3限差内为112条,占比96.6%,2/3限差内为4条,占比3.4%,无超限基线,重复基线观测精度良好。同步环、异步环闭合差均满足规范要求。

GNSS网无约束平差通过后,在采用多点平移转换法建立的独立椭球上进行约束平差。平差后的整网单位权中误差M0为±2.32 mm,最弱点为HS23,点位中误差为±1.3 mm(限差±7.0 mm,估算±3.2 mm);相对中误差中最弱边为HS23～HS24,边长相对中误差为1/60.3万。边长相对精度统计见表5。